淺談數(shù)控技術的發(fā)展

曹麗萍

摘要:本文從世界上數(shù)控技術及裝備發(fā)展趨勢上,重點從3方面闡述了研究的熱點,結合實際,提出了我國數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略性思考。

關鍵詞:發(fā)展趨勢;自動控制;加工精度;發(fā)展策略

工業(yè)的技術水平和發(fā)展程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和發(fā)展程度,數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)(如信息技術及其產(chǎn)業(yè)、生物技術及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè))的首要技術和最基本的裝備。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術,以提高制造能力和水平,提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。世界上各工業(yè)發(fā)達國家都將數(shù)控技術及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資,因此,大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。

1 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢

數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征,而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大,它對國計民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用,因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看,其主要研究熱點有以下幾個方面:

1.1 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢

效率、質(zhì)量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術之一,國際生產(chǎn)工程學會(CIRP)將其確定為21世紀的中心研究方向之一。

在轎車工業(yè)領域,年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛,而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一;在航空和宇航工業(yè)領域,其加工的零部件多為薄壁和薄筋,剛度很差,材料為鋁或鋁合金,只有在高切削速度和切削力很小的情況下,才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結方式拼裝,使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。

從EMO2001展會情況來看,高速加工中心進給速度可達80m/min,甚至更高,空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠,包括我國的上海通用汽車公司,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min,快速為100m/min,加速度達2g,主軸轉(zhuǎn)速已達60000r/min。加工一薄壁飛機零件,只用30min,而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h,在普通銑床加工需8h。

在加工精度方面,近10年來,普通級數(shù)控機床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密級加工中心則從3～5μm,提高到1～1.5μm,并且超精密加工精度已開始進入納米級(0.01μm)。

在可靠性方面,國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6 000h以上,伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上,表現(xiàn)出非常高的可靠性。

1.2 5軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展

采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工,可用刀具最佳幾何形狀進行切削,不僅光潔度高,而且效率也大幅度提高。一般認為,1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床,特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時,5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。

當前由于電主軸的出現(xiàn),使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結構大為簡化。在EMO2001展會上,新日本工機的5面加工機床采用復合主軸頭,可實現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工,使得5面加工和5軸加工可在同一臺機床上實現(xiàn),還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心,可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動加工,可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。

1.3 智能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢

21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng),智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化,如加工過程的自適應控制,工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化,如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等;簡化編程、簡化操作方面的智能化,如智能化的自動編程、智能化的人機界面等;還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。

網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求,也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機,如日本山崎馬扎克公司,日本大隈機床公司,德國西門子公司等,都反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢。

2 對我國數(shù)控技術及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計

我國數(shù)控技術起步于1958年,近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個階段:第一階段從1958年到1979年,即封閉式發(fā)展階段。在此階段,由于國外的技術封鎖和我國的基礎條件的限制,數(shù)控技術的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期,即引進技術,消化吸收,初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段,由于改革開放和國家的重視,以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善,我國數(shù)控技術的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間,即實施產(chǎn)業(yè)化的研究,進入市場競爭階段。在此階段,我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進步。在“九五”末期,國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達50%,配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)(普及型)也達到了10%。

3 對我國數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考

3.1 戰(zhàn)略考慮

我國是制造大國,在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移,即要掌握先進制造核心技術,否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整中,我國制造業(yè)將進一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價,交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”,沒有掌握核心技術的制造中心的地位,這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。

3.2 發(fā)展策略

從我國基本國情的角度出發(fā),以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導向,以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標,用系統(tǒng)的方法,選擇能夠主導21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術、配套技術作為研究開發(fā)的內(nèi)容,實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強調(diào)市場需求為導向,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主,以整機(如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關鍵設備等)帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關功能部件(數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等)的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。

因此,在現(xiàn)今的競爭世界,我國的數(shù)控技術應以不斷創(chuàng)新,不斷研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的技術和產(chǎn)品為第一要務,為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。